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Das verhexte Metall

12.09.2005  00:00 Uhr
Nickel

Das verhexte Metall

von Harald Mückter, München

Früher galt Nickel als verhextes, verdorbenes Kupfer. Auch heute noch hat das Metall, trotz seiner Vielseitigkeit, keinen guten Ruf: Es führt häufig zu Allergien, wirkt in einigen Verbindungen krebserregend und kann schwere Vergiftungen verursachen.

Wenn sich die Bewohner des Erzgebirges im ausgehenden 18. Jahrhundert über die Bodenschätze ihrer Region unterhielten, so kam die Rede auch auf den Nickel, jenen Berggeist, der die Träume der Schürfer von großen Kupferfunden bitter enttäuschte. Was wegen des silbern-rötlichen Glanzes zunächst für hochwertiges Kupfer gehalten wurde, schien durch den Kobold Nöck oder Nickel vergiftet und verhext zu sein. Der schwedische Chemiker und Mineraloge Axel Frederik Cronstedt (1722 bis 1765) untersuchte im Jahre 1751 dieses von den Bewohnern Kupfernickel getaufte Erz und fand heraus, dass sich darin kein Kupfer, sondern reichlich Arsen und ein bislang nicht identifiziertes metallisches Element befand, das er »Nickel« (Ni) nannte. Die Darstellung des Elements in reiner Form gelang Torbern Olof Bergmann (1735 bis 1784) im Jahre 1775.

Bald stellte sich heraus, dass Nickel ein alter Bekannter war: Es kam schon in Münzlegierungen der alten Griechen vor und wurde vor mehr als 2000 Jahren von den Chinesen in Metalllegierungen zur Herstellung von Gebrauchsgegenständen wie Küchengeschirr oder Haarspangen verwendet. Im Erdkern gehört es zusammen mit Eisen zu den wichtigsten Bestandteilen. Bei Vulkanausbrüchen werden daher große Nickelmengen an die Erdkruste befördert. Auch Meteoriten aus dem Weltall enthalten häufig größere Anteile an Nickelerzen.

Mehr als 300 verschiedene Legierungen enthalten das Metall in Spuren oder als Hauptbestandteil, da es die Korrosionsbeständigkeit, die Zähigkeit und die Härte zum Beispiel von Stahl erhöht. Gegenstände des täglichen Bedarfs, Schmuckstücke und Werkzeuge enthalten Nickel in teilweise erheblichen Mengen. Im Labor werden widerstandsfähige Tiegel und Schalen aus Nickel verwendet und das fein verteilte Metall als Synthese-Katalysator gebraucht. In der Medizin findet man es als Legierungsbestandteil bei Medizinprodukten, zum Beispiel chirurgischen Instrumenten sowie in der Prothetik.

Für den Menschen sind Mangelerscheinungen, die auf einen niedrigen Nickelstatus zurückzuführen sind, bisher nicht nachgewiesen worden. In Tieren sind eine verringerte Fertilität (Ratte, Ziege), gestörtes Helldunkelsehen (Ratte), Nierenschädigungen und Bluthochdruck (Ratte) bekannt. Im Pflanzenreich wird Nickelmangel als Ursache einer besonderen Krankheit des Pecanbaums (Carya illinoinensis) angesehen, bei der die Blätter stark verkleinert sind und wie Mäuseohren aussehen. Für Mikroorganismen ist der essenzielle Charakter des Metalls gesichert.

Nickel in Enzymen

Insgesamt konnten bisher sechs Ni-haltige Enzyme identifiziert werden: Urease, NiFe-Hydrogenase, Methyl-Coenzym-M-Reduktase, CO-Reduktase, Acetyl-Coenzym-A-Synthase und die Ni-Superoxiddismutase. Sie enthalten Nickel-Ionen als Cofaktor, bei anderen Funktionen (Proteinbiosynthese, Ionenkanäle) scheint das Metall eine »koordinierende« Rolle zu spielen.

Dass bisher beim Menschen kein Nickelmangel bekannt geworden ist, hängt möglicherweise mit seiner ubiquitären Verbreitung zusammen. Die tägliche Aufnahme des Metalls wird auf 0,3 bis 0,5 mg geschätzt. In den Städten liegt der Nickelgehalt der Luft bei 150 ng/m3, in ländlichen Regionen wurden 6 bis 25 ng/m3 gemessen. Menschen atmen demnach 2 bis 14 µg pro Tag ein. Rund 170 µg Nickel pro Tag nimmt der Mensch über die Nahrung ­ davon über 2 µg über das Trinkwasser ­ oder durch Inhalation von Ni-haltigen Staubpartikeln in der Atemluft und über die Schleimhäute auf. Eine Zigarette enthält etwa 2,3 ng. Hohe Nickelgehalte finden sich in Fisch, Haferflocken, Nüssen, Vollkornbrot und einigen Gemüsesorten wie Kohl und Salat. Vom Wasserhahn bis zum Haarshampoo ­ immer lassen sich Spuren von Nickel nachweisen, ohne dass daraus allerdings ein Gesundheitsproblem resultiert ­ mit einer Ausnahme: die Nickelallergie.

Selten schwere Vergiftungen

Für den Menschen sind Nickelsalze nach oraler Aufnahme akut wenig toxisch. Dennoch hat die Nationale Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten vor einigen Jahren ein »tolerable upper intake level« (Obergrenze der duldbaren Aufnahme) für Nickel von 1 mg pro Tag festgesetzt. Typische Symptome einer Überdosis sind Übelkeit und Erbrechen. Die chronische inhalative Aufnahme bewirkt bei beruflich Exponierten Nasenschleimhautschäden. In anderen Fällen kann es nach Nickelexposition zu Asthma und Pneumokoniosen (Staublungen) kommen. Im Tierversuch traten auch Ulzerationen und Entzündungen im Respirationstrakt auf. Die parenterale Gabe löslicher Nickelsalze bewirkte bei Ratten Störungen des Glucosestoffwechsels und der Prolaktinsekretion.

Die giftigste Nickelverbindung ist das flüchtige Nickelcarbonyl, Ni(CO)4, eine farblose Flüssigkeit, die bei 43° Celsius verdampft und oberhalb von 50° Celsius bereits merklich in die Komponenten zerfällt. Die starke Lipophilie von Ni(CO)4 ist die Ursache für die gute Resorption der Substanz, die sogar die Blut-Hirn-Schranke passiert. Exponierte Personen klagten nach dem Einatmen von Ni(CO)4 akut über Übelkeit, Schwindel, Kopfschmerzen, Schlaflosigkeit und Dyspnoe. Nach einem üblicherweise symptomarmem Intervall (von zwölf Stunden bis fünf Tagen) entwickelt sich nach entsprechender Exposition eine diffuse chemische Lungenentzündung, die in ein typisches ARDS (acute respiratory distress syndrome) mündet, das häufig zum Tode führt. Neben dem akuten Lungenversagen können auch Blutungen und Hirnödeme sowie schwerwiegende Komplikationen der Leber, Nieren und Nebennieren Todesursache bei einer Vergiftung mit Ni(CO)4 sein. Überlebende einer Vergiftung behalten häufig schwere Schäden zurück.

Eine echte Nickelvergiftung gehört zu den toxikologischen Raritäten und kommt praktisch ausschließlich bei Personen vor, die beruflich mit Ni(CO)4 umgehen. Bei der Behandlung erweisen sich klassische Komplexbildner wie EDTA als unzulänglich, da sie im Gegensatz zu Ni(CO)4 nicht in die Zellen gelangen und das Nickel nicht mobilisieren können. Stattdessen werden in solchen Fällen lipophile Chelatbildner wie Triethylentetramin oder Cyclam (1,4,8,11-Tetraazacyclotetradecan) eingesetzt.

Krebserregendes Metall

Seit über 60 Jahren wird über die Kanzerogenität von Nickelverbindungen diskutiert. Für eine Reihe solcher Stoffe wie Nickelcarbonat, Nickel(hydr)oxid, Nickelsubsulfid, Nickelsulfat und Nickeltetracarbonyl konnte der Nachweis der Kanzerogenität inzwischen geführt werden, so dass diese in die Kategorie 1 (nachgewiesenes Humankarzinogen) der WHO/IARC eingestuft wurden. Für metallisches Nickel steht der Nachweis noch aus, sodass es zur Kategorie 2B (möglicherweise humankanzerogen) gehört. Ni-induzierte Neoplasmen treten hauptsächlich in der Lunge auf. Doch Nickelverbindungen wirken auch transformierend auf Zellkulturen, die nicht dem Respirationstrakt entstammen. Der Mechanismus einer Ni-induzierten Tumorentstehung wird kontrovers diskutiert. Intrazellulär werden anscheinend schwerlösliche Nickelpartikel mobilisiert, die die DNA oxidativ schädigen und Strangbrüche verursachen. Aber auch eine gesteigerte Quervernetzung der DNA untereinander und mit Bindungsproteinen wurde gefunden. Eine Hypermethylierung bestimmter (normalerweise inaktiver) Gene, zum Beispiel des ras-Gens oder des Suppressorgens p53, soll ebenfalls für die Nickelkazerogenese von Bedeutung sein. Das Risiko für Nickel-induzierte Tumoren steigt deutlich an, wenn die chronische Belastung über die Atemluft 1 mg/m3 überschreitet.

Eine stark verbreitete Allergie

Nickel gilt schon seit vielen Jahren als das wichtigste Metallallergen, denn in den Industrienationen leiden 1 bis 2 Prozent der Männer und über 20 Prozent der Frauen unter einer Nickelallergie. Einige Studien suggerieren, dass Atopiker häufiger allergisch auf Nickel reagieren als die restliche Bevölkerung.

Die häufigste Form ist eine typische Kontaktallergie vom Spättyp. Zu den charakteristischen Hautveränderungen gehören Hyperkeratinisierung und Lichenifikation (Verdickung und Vergrößerung der Hautfelderung).

Eine Expositionsprophylaxe ist praktisch unmöglich, da das Metall so weit verbreitet ist und in Münzen, Schmuck, Kochgeschirr oder Brillen vorkommt. Die Betroffenen entwickeln gelegentlich auch typische Hauteffloreszenzen (zum Beispiel Bläschen an den Seitenflächen der Finger), wenn vermehrt Nickel über die Nahrung aufgenommen wird, wie etwa bei vernickeltem Kochgeschirr. Die weite Verbreitung des Metalls in der Medizintechnik stellt für die Werkstoffkunde eine besondere Herausforderung dar: Für zahlreiche nickelhaltige Medizinprodukte für die Osteosynthese und die Zahnprothetik gilt es, nickelfreie Alternativen zu entwickeln, die auch bei Allergie verwendet werden können.

Der Nachweis einer Nickelüberempfindlichkeit gelingt häufig mit dem Dimethylglyoxim-Test: Der verdächtigte Gegenstand wird in eine Lösung mit Dimethylglyoxim getaucht. Anschließend wird von der Tauchlösung ein Aliquot auf die Haut (vorzugsweise am Rücken) wie bei einem Patch-Test aufgebracht. Eine Hautreaktion innerhalb von 72 Stunden an der Auftragungsstelle erhärtet den Verdacht einer Nickelallergie. Auch ein Lymphozytenstimulationstest zum Nachweis einer Nickelallergie wurde erfolgreich etabliert.

Rasch wieder eliminiert

Nickelhaltige Endoprothesen können bis zu 20 µg pro Tag und kg Körpergewicht freisetzen ­ unter Umgehung der üblichen Resorptionspforten. Die Toxikokinetik von exogen zugeführtem Nickel hängt stark von der Wasserlöslichkeit ab. Gut lösliche Nickelsalze werden aus dem Gastrointestinaltrakt nur schlecht resorbiert. Trotz der elektronischen Ähnlichkeit mit anderen zweiwertigen Metallen, wie Calcium, Magnesium, Kupfer(II), Zink oder Eisen(II), findet eine verstärkte Aufnahme über die Mucosa nur bei Eisenmangel statt. Die Anwesenheit von Nahrung verringert die Nickelresorption noch weiter, vermutlich weil Nahrungsbestandteile Komplexe mit den Nickel-Ionen bilden.

Nach der Resorption wird der größte Teil des Metalls an Albumin gebunden, wo es mit Kupfer um die Bindungsstellen wetteifert. Ein Teil des Nickels wird durch kleine Peptide oder Aminosäuren, vor allem Histidin, komplexiert. Nickeloplasmin, ein spezielles Transportprotein für Nickel im Plasma, bindet das Element in schwer austauschbarer Form. Resorbiertes Nickel wird offenbar rasch wieder eliminiert. Die Ausscheidung aus dem Körper erfolgt hauptsächlich über die Nieren. Nach der Aufnahme schwer löslicher Nickel-Verbindungen, die nur unvollständig resorbiert werden, findet sich das Metall teilweise in den Fäzes. Kleinere Anteile werden auch über die Haare, die Haut, über die Milch und den Schweiß eliminiert.

Zum Nachweis einer Nickelbelastung wird routinemäßig die Serumkonzentration und die Urinausscheidung des Metalls mit Hilfe der Atomabsorptions- oder Atomemissionstechnik gemessen. Normalwerte bei Erwachsenen liegen zwischen 0,1 und 0,6 µg/l, können aber in belasteten Regionen (Erzraffinerien) auf bis zu 7,5 µg/l ansteigen, ohne dass daraus ein Krankheitswert resultiert. Die tägliche Ausscheidung des Metalls im Urin beträgt normalerweise 1 bis 3 µg/l. Auch hierbei spielt die Ni-Spezies eine Rolle: Schwer lösliche Nickelsalze können nach Inhalation außer auf der Nasenschleimhaut dann ­ teilweise mit erheblichen Latenzzeiten ­ in den Fäzes nachgewiesen werden.

Für Nickel konnte bisher keine enge Korrelation zwischen dem Gehalt in den Körperflüssigkeiten und dem tatsächlichen Gesundheitsrisiko etabliert werden. Die wichtige Ausnahme in diesem Zusammenhang ist Ni(CO)4, das praktisch vollständig resorbiert und metabolisiert wird, sodass hier eine stabile Korrelation zwischen Exposition, Blutspiegel und Gesundheitsrisiko besteht.

 

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